鞍子河水库溢洪道消能设施布置模型试验研究

伏世红

（大连市水利建筑设计院，辽宁 大连 116021）

鞍子河水库溢洪道消能设施布置模型试验研究

伏世红

（大连市水利建筑设计院，辽宁 大连 116021）

中小型水库溢洪道及其消能防冲设施的布置，总是受地貌地形和周边构（建）筑物等的限制影响，本文以鞍子河水库工程为例，对水库溢洪道及其消能设施进行了方案比选及模型试验研究，得出了相应的结论，可供同类工程设计研究参考借鉴。

溢洪道；模型试验；折流墩；阶梯消能；鞍子河水库

1 概 述

鞍子河水库位于辽宁省普兰店市丰荣办事处西泡村车屯，鞍子河中下游。水库于1967年6月竣工。鞍子河水库于2014年完成扩建，新扩建的鞍子河水库总库容692.42万m3，工程规模为小（1）型，工程等别为Ⅳ等。永久性水工建筑物级别为3级，次要建筑物仍为5级。水库防洪标准为50年一遇洪水设计，1 000年一遇洪水校核[1]。

扩建后鞍子河水库是一座以城市供水、农业灌溉为主，结合防洪、生态保护等综合利用的水库。同时可兼做刘大水库城市供水的事故调节库，还具有淡水养殖和美化环境的功能。

2 洪道方案比选

溢洪道位于右坝肩，净宽50 m，全长410.75 m，由进水口、控制段、泄槽段和尾水渠四部分组成[2]。1 000年一遇校核防洪标准条件下溢洪道泄流量为1 018.81 m3/s，50年一遇设计防洪标准条件下溢洪道泄流量为624.02 m3/s。

1）溢洪道平面布置方案比选

鞍子河水库溢洪道平面布置方案初步拟定2种，即圆弧弯道方案和折流墩方案。经综合比较分析，鞍子河水库溢洪道平面布置采用折流墩方案，可降低工程占地补偿费用，虽然溢洪道沿程水流流态较为复杂，但在采取了必要的工程措施后，可使水流在折流墩处形成冲击波，有助于增加消能率。

2）溢洪道纵剖面方案比选

拟定3种溢洪道纵剖面方案，通过比较各方案消能率以确定溢洪道最终纵剖面方案，3种方案示意图见图1。3种方案均将溢洪道布置为阶梯消能结构，设置8级台阶：方案1中1～8级台阶均未设置中墩及尾坎；方案2中6—8级台阶出口设置尾坎；方案3中6—8级台阶不仅在出口设置尾坎，并且在台阶中间设置了中墩。

第8级台阶出口与原有河道相连接，其水力要素值直接与原有河道的冲淤情况相关，因此对拟定的3个方案第8级台阶出口处的水深、流速及消能率进行比较，选取流速较低，消能率较高的方案作为溢洪道最终纵剖面方案。

图1 溢洪道纵剖面方案简图

3 模型试验

3.1 相关参数确定

溢洪道最大下泄流量约1 000 m3/s，溢洪道宽50 m，单宽流量约20 m2/s，相应的临界水深约3.44 m，与临界水深相应的流速vk约5.88 m/s，整个溢洪道的落差约为16.04 m，轴线长约220 m，平均坡度为16.04/220=0.073。为了使折流墩处有较好的来流条件，并计及上述的具体条件，溢洪道在立面沿轴线布置成阶梯形，为比较消能率，对3个方案进行试验研究。3个方案的区别是第二方案中第6—8台阶的出口加了0.5 m高的尾坎，第3方案又在第6—8台阶的中间增加了0.5 m高的消力坎。消力坎尺寸如图2和图3所示。

图2 中坎示意图（m）

图3 尾坎示意图（m）

为了使各阶梯末端有较好的流态，阶梯的高度d与l0长度要求满足如下关系（见图4）：

显然实际v0>vk，假如第一级从堰上下跌水流收缩断面的vc为v0，计及水头损失，v0=10 m/s，相应的hc=2 m。

若整个溢洪道分为n阶，那么

代入式（1）得 n≈6.7阶，取 n=8，所以取 d=1.2 m，l0=20.0 m。

折流墩间距的确定原则如图5所示，设计时估计转折处的 v=10 m/s，h=2.32 m，Fr=2.10，临界折角约为61°，取琢=60°， 并取间距b1=10 m，则b2>b1tan30°≈5.77 m。

3.2 模型制作

1）相似准则与模型比尺

溢洪道的模型设计采用正态模型，遵循重力相似准则[3]，模型试验的长度比尺为姿l=40。除床沙外，其它水力参数的相似比尺见表1。

表1 重力相似条件下的各水力参数相似

2）水工结构模型材料、制造与安装

根据重力相似要求，有

原型泄水建筑物的糙率np=0.015，模型泄水建筑物的糙率nm应为因为有机玻璃材料的糙率一般为0.007~0.009，与模型建筑物糙率接近，所以模型中选用有机玻璃作为泄水建筑物材料。

图4 溢洪道阶梯关系图

图5 折流墩示意图

3）试验测试手段

供水系统设施：水工模型试验供水系统设施，包括蓄水池、平水塔、动力泵、配水管和回水槽等。

试验量测仪器：水位与水面线量测仪器采用水位测针及水位跟踪仪，用于测定恒定流水位；流速量测仪器采用南京水科院研制便携式流速仪测量；流量量测仪器采用直角三角形薄壁量水堰，用于测定恒定流流量，量水堰堰型满足量程和精度要求。

4 水工模型试验结果与分析

4.1 不同研究方案溢洪道的水力特性研究

针对溢洪道的3个不同研究方案对水深、流速和消能率进行了试验研究。研究内容包括库水位分别为23.04 m、21.64 m和20.04 m时沿程的实测水深，以及由实测水深和流量计算的沿程各点流速和消能率的变化。

其中，消能率η按下式计算：

式中：荦0，荦分别是库水位和计算点高程；E是计算点的比能。

4.2 3个方案的比较及结论

1）方案比较

8台阶的出口就是原河道，它直接和原河道的冲淤情况相关，所以把3个方案第8台阶出口的水深、流速和消能率比较列于表2。

表2 第8台阶出口水深 流速及消能率的比较

由表2可见，方案3相比较其它2个方案其第8级台阶出口处的流速最低，消能率最高，且增加的钢筋混凝土量很少，因此溢洪道最终纵剖面采用方案3。

2）关于修正实测水深的说明

由于水面波动，无论实测水深和实测流速都有较大的误差，为了减小误差，进行修正：设实测水深和实测流速分别为h和v，则显然有q=vh。

但已经知道正确的单宽流量为q0，当时q≠q0，说明实测的h，v都存在误差，分别令△h和△v为h，v的误差， 正确的水深h0=h+△h，v0=v+△v，须确定△h和△v。

显然有 q0=v0h0=（h+△h）（v+△v）≈hv+v△h+h·△v，q0-hv=q0-q=△q，即△q=v△h+h△v。

如果第3方案库水位20.04 m时，实测5号台阶的水深h=1.4 m，实测流速v=4.49 m/s，由此得q=1.4×4.49=6.29 m2/s， 而正确的 q0=10.69 m2/s，所以△q=10.69-6.29=4.40 m2/s，△h=因此修正后的水深h0=1.4+ 0.49=1.89 m

4.3 原河道的保护

从8号台阶出口的水流和原河道大致90°相交。对河床的保护可以有两种考虑：1）8号台阶下游建消力池；2）不建消力池，直接用石笼保护。经过多个方案比较，鉴于8号台阶出口水流的弗劳德数不高，消力池的消能率很低，且在消力池出口（与原河道流向一致）有一定范围保护措施，8号消力池出口流速不是很大，对相应的下游水深，冲刷能力有限。因此建议不建消力池，直接用石笼保护，优化方案的保护范围如图6所示。

图6 优化方案河床保护范围示意图

优化方案中实测A与B两点的最大流速分别为 5.06 m/s和 5.31 m/s。

5 结 论

本文对鞍子河水库溢洪道消能设施不同研究方案进行了模型试验，通过试验结果及其与设计方案的比较，得出以下结论：

1）迷宫堰中心线与下游河道约交30°，如采用常规弯道连接迷宫堰与下游河道，溢洪道纵轴线须穿过一工厂，搬迁费用较大，因此采用折流墩方案，在工厂上游把水流急剧转60°后，进入河道，使纵轴线长度大大缩短。在各种库水位下，折流墩方案的水流态都较好。

2）为了避免溢洪道出口处集中消能，溢洪道纵剖面采用阶梯形，并进行了多种方案的比较。优化方案在各种库水位时出口流速都小于6.0 m/s，消能率都高于60%。

3）鉴于溢洪道出口处流速不高，溢洪道出口处不建消力池，直接采用石笼保护。

［1］水利水电工程等级划分及洪水标准，SL252-2000［S］.中华人民共和国水利部，2000.

［2］叶青，宋宪武，胡娜．迷宫堰在鞍子河水库工程中的应用［J］．东北水利水电，2009（7）．

［3］汤慧.阶梯消能与辅助消能工联合应用的试验研究［D］.大连：大连理工大学，2011.

TV651.1；TV653

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1002－0624（2016）04－0048－03

2016-01-18